“我真的需要睡覺嗎？”
當我在世界各地談論睡眠時，我一遍又一遍地被問到這個問題。答案一直很明確——是的，每個人都需要睡覺。就像飢餓、口渴和性慾一樣，睡眠的衝動是一種生理驅動。然而，究竟是什麼讓我們將生命的三分之一時間用於無意識狀態，長期以來一直困擾著科學家。
在承認我們缺乏答案時，世界頂級的睡眠研究人員之一艾倫·雷希沙芬在 1978 年說：“如果睡眠沒有絕對重要的功能，那麼它就是進化過程有史以來犯下的最大錯誤”（重點是我加的）。在 20 世紀 90 年代，另一位著名的睡眠研究人員 J. 艾倫·霍布森打趣說，睡眠唯一已知的功能是治癒睡意。
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過去 20 年的研究終於開始為我們為什麼必須睡覺提供至少部分的解釋。最明確的發現是，睡眠不僅僅服務於單一目的。相反，它似乎是多種生物過程最佳運作所必需的——從免疫系統的內部運作到適當的激素平衡，再到情緒和精神健康，再到學習和記憶，再到清除大腦中的毒素。與此同時，在缺乏睡眠的情況下，這些功能都不會完全失效。總的來說，睡眠似乎增強了這些系統的效能，而不是絕對必要。然而，任何幾個月不睡覺的人都會死亡。
即使是這種不完善的理解也花費了數十年的時間才發展起來。到 20 世紀末，研究人員已經用對腦電波活動、呼吸模式以及血液中激素和其他分子數量的每日振盪的詳細測量，取代了關於睡眠的古老觀念——睡眠是由血液從皮膚表面退去或胃中積聚的溫熱蒸汽引起的。最近，研究人員已經開始確定睡眠的哪些方面對於其每項益處至關重要。然而，具有諷刺意味的是，研究人員對良好睡眠對於身心正常運作的絕對必要性瞭解得越多，21 世紀的公民花在夢神墨菲斯舒緩的懷抱中的時間就越少。
致命性失眠症
我們絕對需要睡眠的最明確證據來自卡羅爾·埃弗森在 1989 年發表的一項研究，該研究基於她在芝加哥大學雷希沙芬實驗室工作期間所做的工作。現在在威斯康星醫學院的埃弗森發現，完全剝奪睡眠的老鼠都在一個月內死亡。實際上，她要實現這種致命結果所要做的就是阻止動物進入以快速眼動 (REM) 為特徵的睡眠階段。但四分之一個世紀後，研究人員仍然無法解釋為什麼老鼠會死亡。此後幾年進行的一系列實驗僅用於消除可能的原因；例如，它不是由壓力增加、能量消耗過度或身體內部熱調節器或免疫系統失效引起的。
因睡眠剝奪而死亡並非老鼠獨有。致命性家族性失眠症，大約在 30 年前首次被描述，顧名思義，是一種遺傳性人類疾病，首先導致持續性失眠，然後導致死亡。一個由已故埃利奧·盧加雷西和羅塞拉·梅多里領導的義大利研究小組，當時在博洛尼亞大學醫學院，於 1986 年報告了該疾病。該小組講述了一位 53 歲男子的故事，他在患上頑固性失眠症後的幾個月內去世，他的許多親屬在兩代人中也曾如此。對他的大腦進行的屍檢分析顯示，丘腦的兩個區域神經細胞大量喪失，丘腦是一個核桃大小的結構，位於中腦中，通常充當傳入感覺輸入的轉運站。然而，這兩個特定的區域更出名的是它們在調節情緒記憶和產生所謂的睡眠紡錘波（在睡眠大腦的腦電圖中發現的關鍵波形模式）中的作用。
丘腦的這種惡化如何導致失眠或死亡尚不清楚。但現在已經知道造成損害的直接原因。在 20 世紀 90 年代初期，當時在凱斯西儲大學的梅多里和她的同事確定，一種稱為朊病毒的畸形蛋白質是造成破壞的原因。已知朊病毒還會導致綿羊瘙癢症和人類牛海綿狀腦病（“瘋牛病”）——儘管在致命性家族性失眠症的情況下，朊病毒是從一代遺傳到下一代的，而不是像其他兩種疾病那樣從環境中攝入的。
幸運的是，沒有其他關於人類因睡眠剝奪而死亡的報告（除了例如，疲勞駕駛的司機在開車時睡著的意外死亡）。但也沒有其他關於人們幾個月不睡覺的報告。因此，我們只剩下兩個長期和完全睡眠剝奪導致死亡的例子——實驗誘導的老鼠睡眠剝奪和人類的遺傳性朊病毒疾病——並且我們不瞭解這兩種情況下死亡的確切原因。
抗體和激素
與此同時，我們確實知道，即使只損失一個晚上的完全或部分睡眠也會干擾各種身體功能，例如激素活動和預防感染。兩項研究觀察了身體對乙型肝炎疫苗免疫接種的反應，顯示了睡眠剝奪對免疫系統的影響有多麼顯著。在 2003 年的第一個實驗中，一小群大學生在早上接種了標準的甲型肝炎疫苗，該疫苗由滅活病毒組成，之後研究人員允許他們中的一半正常睡眠；另一半則整夜保持清醒。
剝奪睡眠的受試者直到第二天晚上才被允許睡覺。四周後，研究人員從學生身上採集了血液樣本，並測量了他們的免疫系統為響應疫苗中的病毒而產生的保護性抗體的數量。抗體水平越高，表明對疫苗的反應越好，因此可能對未來感染致病性病毒版本的保護作用也更大。四周後，睡眠正常的組的抗體水平比睡眠剝奪組高 97%。
不到一個整夜的睡眠也會產生負面影響。在第二項研究中，成年人在六個月內接受了標準的三劑乙型肝炎疫苗。（需要重複接種疫苗以建立充分的免疫保護。）研究人員給每位參與者一個類似於手錶的運動探測器，該探測器監測他們在家的睡眠情況。透過比較受試者在第一次注射疫苗當週的平均睡眠時間和他們在第二次注射疫苗後顯示的抗體保護水平，研究人員確定，每增加一小時的睡眠，抗體水平就會增加 56%。在最後一次疫苗接種六個月後，在第一次疫苗接種當週平均每晚睡眠時間少於六小時的人，血液中抗體含量如此之低，以至於他們被認為無法抵抗未來感染乙型肝炎病毒的可能性高出七倍。
即使是睡眠障礙的健康兒童也表現出免疫缺陷。2017 年，中國山東大學的張子和及其同事檢查了 50 名患有阻塞性睡眠呼吸暫停兒童的免疫狀況。基於他們血液中 T 淋巴細胞和其他免疫相關指標濃度的變化，研究人員得出結論，睡眠呼吸暫停導致這些兒童的免疫功能受損。
卡琳·施皮格爾進行的一系列研究為激素功能受損提供了令人印象深刻的證據，她當時在芝加哥大學與伊芙·範·考特合作。在其中一項實驗中，研究人員允許 11 名健康的年輕男性每晚只睡四個小時。在限制睡眠五晚後，男性從血液中清除葡萄糖的能力（胰島素控制的過程）降低了 40%。在另一項研究中，施皮格爾和她的同事同樣限制了 12 名男性兩個晚上的睡眠時間。科學家們測量了志願者血液中發現的食慾刺激素生長素釋放肽的含量，發現它躍升了 28%。與此同時，另一種稱為瘦素的激素含量下降了 18%；瘦素透過向大腦發出無需進食的訊號來抑制飢餓感。毫不奇怪，睡眠不足的男性報告說他們的飢餓水平平均增加了 23%。
圖片來源：布萊恩·克里斯蒂設計
總的來說，這些人體生理學研究表明，睡眠減少可能導致體重增加——這一假設現在至少得到其他 50 項研究的支援。在幾項調查中，6 至 9 歲的兒童睡眠時間少於 10 小時，肥胖的可能性高出 1.5 至 2.5 倍，對成人的研究表明，睡眠時間少於 6 小時的參與者肥胖的機率增加了 50%。研究還表明，睡眠限制與 2 型糖尿病的發生之間存在關聯。
負面情緒炸彈
儘管睡眠限制對免疫和激素功能有顯著影響，但其最大的影響可能發生在大腦中。在 2006 年我與馬修·P·沃克（現任加州大學伯克利分校）進行的一項研究中，我們研究了單晚睡眠剝奪如何影響人們形成的 эмоциональные 記憶。26 名受試者（其中一半在前一天晚上被剝奪了睡眠）被展示了積極、消極和中性的詞語（例如，“平靜”、“悲傷”或“柳樹”），並被要求評估它們的情感性。然後，在經過兩個晚上的恢復性睡眠後，他們接受了一次突擊記憶測試。
與正常睡眠的受試者相比，那些在第一次看到單詞之前被剝奪了睡眠的受試者，他們識別單詞的能力下降了 40%。但更引人注目的是睡眠剝奪對三類單詞的相對影響。當受試者被剝奪睡眠時，他們對積極和中性詞語的識別能力都下降了 50%。然而，他們識別帶有負面含義的詞語的能力僅下降了 20%。相比之下，正常睡眠後形成的對積極和消極詞語的記憶幾乎沒有差異，中性詞語不如積極或消極詞語容易記住。換句話說，在研究志願者被迫減少睡眠後，負面詞語的記憶似乎至少是積極或中性詞語的兩倍強。
這個結果暗示了一個相當可怕的可能性，即當您睡眠不足時，您實際上形成的關於生活中負面事件的記憶是關於正面事件的記憶的兩倍，從而對您的一天產生有偏見且可能令人沮喪的記憶。事實上，過去 25 年的幾項研究現在已經得出結論，不良睡眠在某些情況下可能導致抑鬱症，其嚴重程度足以被診斷為重度抑鬱症，並且可能還會導致其他精神疾病。
近年來，關於與抑鬱症的因果關係的證據越來越多，並且很大程度上來自對睡眠呼吸暫停的研究，睡眠呼吸暫停是一種在睡眠期間流入肺部的氣流中斷的疾病。它可能導致打鼾、喘氣和其他呼吸中斷。每次患有睡眠呼吸暫停的人短暫停止呼吸時，他們都會短暫醒來以重新開始呼吸。因此，嚴重的呼吸暫停患者可能整夜每隔一兩分鐘醒來一次。美國疾病控制與預防中心在 2012 年進行的一項研究發現，與睡眠較好的人相比，被診斷患有睡眠呼吸暫停的男性和女性分別患重度抑鬱症的可能性高出 2.4 倍和 5.2 倍。
當然，發現這兩種情況之間存在關聯與證明一種情況導致另一種情況是不同的。但最近對 19 項研究的分析發現，使用所謂的 CPAP 裝置（持續氣道正壓通氣）治療睡眠呼吸暫停可以恢復正常呼吸和睡眠，從而顯著減輕抑鬱症症狀。事實上，其中一項研究（巧合的是，該研究在開始時納入了更高比例的抑鬱症患者）發現，CPAP 使用者的抑鬱症症狀減少了 26%。
這些結果仍然不能最終證明睡眠不安會導致抑鬱症，CPAP 治療的效果也沒有與抗抑鬱藥物的效果進行比較。儘管如此，這些暗示性的發現值得進一步調查。同樣，2007 年的一項研究發現，治療患有呼吸暫停且同時患有注意力缺陷/多動症的兒童，導致多動症症狀評分降低了 36%——這比典型 ADHD 藥物實現的 24% 的降低幅度要大得多。
未來的記憶
儘管研究人員仍然不知道睡眠及其缺乏如何影響精神健康的生理機制，但他們懷疑睡眠在幫助大腦將人們的日常經歷轉化為記憶中所起的作用與此有很大關係。過去二十年來，湧現出大量發現，表明睡眠參與了每個人的記憶處理——無論他們的情緒狀態如何。其中一些發現包括：學習後的睡眠會導致新記憶的選擇性穩定、加強、整合和分析。這樣做，它可以控制我們記住什麼以及我們如何記住它。
在 19 世紀末和 20 世紀初，科學家們認為記憶是脆弱的，直到它們經歷了一個所謂的鞏固過程，該過程將它們轉變為可以持續一生的穩定形式。最近的研究表明，即使在大腦記錄和鞏固記憶後，記憶仍然保留著改變的能力。事實上，記憶的重新啟用可以使其在首次形成後很久仍恢復到不穩定狀態，需要重新鞏固；當處於這種不穩定形式時，它可以被改變或完全丟失。這一發現既是詛咒也是祝福——詛咒是因為最初準確的資訊可能會被破壞，祝福是因為不準確的資訊可以被糾正。因此，研究人員已經開始談論記憶演變而不是記憶鞏固，尤其是在討論依賴睡眠的記憶處理時。
對睡眠和記憶的現代研究時代始於 20 多年前，當時以色列的艾維·卡尼和他的同事證明，接受視覺辨別任務訓練的受試者實際上在一個晚上的睡眠後有所提高，但前提是他們被允許進入 REM 睡眠。（順便說一句，大多數夢都發生在 REM 睡眠期間。）他們的實驗表明，睡眠不僅僅是穩定記憶，防止它們隨著時間的推移而惡化；它實際上可以改善它們。
2000 年，沃克走進我的辦公室，揮舞著一篇期刊文章並預測說：“這篇也是依賴睡眠的！”該論文描述了一項任務，受試者在其中學習敲擊特定的手指動作順序，即使沒有額外的練習，隨著時間的推移，他們也更容易做到這一點。儘管如此，作者尚未研究睡眠可能如何促進這種改善。在兩週內，沃克就有了答案。他發現睡眠確實改善了他們的表現，後來他確定這種益處取決於體驗非快速眼動睡眠的淺睡眠階段，而不是像卡尼視覺實驗中那樣的快速眼動睡眠。不可避免的結論是：大腦會在不同的睡眠階段加強不同型別的記憶。
進一步的研究表明，並非所有記憶都會經歷這種依賴睡眠的穩定化。2008 年，現任聖母大學的傑西卡·佩恩進行了一項研究，她在研究中向志願者展示了各種帶有厭惡物體的場景——例如，路中間的一隻死貓。她發現，在一個晚上的睡眠後，受試者可以準確地識別出死貓的影像，但他們忘記了背景街道場景。最令人印象深刻的是，當她在早上訓練受試者，然後在白天清醒後在晚上對他們進行測試時，這種對背景細節的選擇性遺忘並沒有發生。如果中心影像是非厭惡性的，例如，如果它只是一隻過馬路的貓，這種情況也不會發生。因此，睡眠而不是清醒，導致研究參與者的大腦優先保留高度情緒化的中心影像，而不是中性影像（過馬路的貓）或它們的背景場景。
但不僅僅是情緒記憶在睡眠期間得到優先增強。看來，您認為重要的任何東西都會在您睡覺時被選擇性地保留。歐洲的兩個小組已經表明，告知接受過特定任務訓練的受試者，他們是否會在睡眠後對該資訊進行測試，會影響睡眠期間發生的事情。正如您可能預期的那樣，只有受試者被告知他們將重新測試的資訊，在第二天才會顯示出改進。相比之下，當受試者在早上接受訓練時，告知他們是否會在晚上接受測試似乎沒有任何區別。因此，睡眠而不是清醒，選擇性地加強大腦認為有價值的記憶。
這些發現支援了哈佛大學的丹尼爾·沙克特關於記憶是關於未來而不是關於過去的論點。他認為，我們進化出記憶系統不是為了讓我們回憶過去，而是為了讓我們能夠利用先前的經驗來提高我們未來的表現。在這種背景下，睡眠似乎最關心可能與未來相關的資訊也就不足為奇了。當我們談論睡個好覺來解決問題時，我們不僅僅是要求睡眠中的大腦記住某些東西。我們希望我們的大腦能夠獲取已經儲存在那裡的資訊並進行某種計算，將不同的可能性並列，找到解決問題的最佳方案。對我們來說幸運的是，它可以做到！
芭芭拉·J·諾爾頓和她在加州大學洛杉磯分校的同事開發的天氣預報實驗突出了這種分析能力的一個例子。諾爾頓向受試者展示了一組四張牌中的一張或多張——每張牌都顯示一個特定的幾何圖案（圓形、菱形、正方形或三角形）。在受試者開始任務之前，研究人員將每張牌分配給一個特定的假想天氣結果——晴天或雨天——但沒有與參與者分享該資訊。然後，根據顯示的卡片，研究人員要求這些參與者預測卡片是否表明天氣將是晴天還是雨天。隨著時間的推移，受試者逐漸瞭解了卡片與天氣的關係。例如，第一個試驗可能顯示菱形卡片，並且受試者被告知天氣結果是晴天。然後，在第二個試驗中，圓形和三角形卡片都顯示出來，天氣結果是雨天。即使在僅僅這兩個試驗之後，受試者也不可避免地會開始構建關於關係的假設，例如菱形意味著陽光。
這裡的訣竅是，卡片與天氣只是機率性相關的。因此，菱形卡片在 80% 的時間預測晴天，但在另外 20% 的時間裡，它後面跟著雨天。其他卡片最終預測晴天的機率僅為 20% 到 60%。在諾爾頓的研究中，即使經過 200 次試驗，受試者仍然沒有掌握這項任務，猜測最可能的結果的準確率約為 75%。
此類任務的使用使研究人員能夠區分大腦內不同的記憶系統——那些參與記憶事實（“是什麼”系統）和那些參與學習技能（“如何”系統）的系統。當受試者接受天氣預報任務訓練時，他們慢慢地從使用是什麼系統轉向如何系統。當我的實驗室的伊娜·迪翁拉吉克詢問睡眠對這些資訊會產生什麼影響時，她獲得了驚人的結果。當早上接受訓練的志願者在同一天晚上重新測試時，他們的表現也約為 75%，顯然完全保留了他們早上學到的資訊。但是，當其他受試者在晚上接受訓練並在一個晚上的睡眠後接受測試時，他們預測結果的能力比前一天晚上提高了 10%。不知何故，睡眠中的大腦實際上能夠提高參與者對卡片與隨後天氣之間關係的理解。他們對世界如何運作獲得了更好的模型。
研究人員對我們在睡眠時發生的事情探索得越多，他們就越發現良好睡眠的新益處。最近新增到該列表中的可能新增內容是從大腦中清除廢物。2013 年，羅切斯特大學醫學中心的謝璐璐和她的同事報告說，睡眠期間大腦細胞之間的空間會增加，從而使腦脊液在大腦和脊柱之間更好地流動。當研究人員將 β-澱粉樣蛋白（阿爾茨海默病患者神經元之間發現的澱粉樣斑塊的前體）注射到小鼠體內時，他們發現睡眠期間 β-澱粉樣蛋白從大腦中清除的速度是清醒動物的兩倍。據推測，腦脊液流量的增加有助於將潛在的毒性分子移出大腦，遠離可能造成最大損害的區域。現在研究人員希望找出在阿爾茨海默病患者中，睡眠期間通常看到的流量增加是否會受到損害。
鑑於所有關於睡眠的多種功能以及可能還會發現更多功能的最新研究，在睡眠上偷工減料似乎是應對日常生活需求的一種越來越糟糕的策略。總而言之，研究睡眠在激素、免疫和記憶功能中的作用的研究結果表明，如果您沒有獲得足夠的睡眠，除了非常疲倦之外，您還可能最終生病、超重、健忘並且非常憂鬱。